Bộ môn Công nghệ Sinh học - Thực phẩm

Không phải tất cả các gene đều có biểu hiện liên tục. Mức độ biểu hiện của gene khác nhau giữa các tế bào hoặc khác nhau theo giai đoạn trong chu trình tế bào.
Hoạt tính của gene khác nhau theo chức năng tế bào. Ở động vật có xương sống như chuột, chứa khoảng 200 loại tế bào được phân hóa chức năng khác nhau. Tất cả các tế bào đều chứa cùng thông tin di truyền, những tế bào khác nhau chỉ ở những gene hoạt động. Trong nhiều trường hợp, hoạt tính của gene được điều hòa ở mức độ phiên mã, cả qua những tín hiệu bắt đầu bên trong tế bào và cả phản ứng với những điều kiện bên ngoài. Tuy nhiên thông tin di truyền được điều hòa theo những cách khác nhau. Các bước điều khiển hoạt động gene bao gồm:
⦁ Cấu trúc lại DNA, trong đó những thay đổi biểu hiện gene phụ thuộc vào vị trí trình tự DNA trong genome.
⦁ Điều hòa phiên mã trong tổng hợp bản phiên mã RNA bằng sự điều khiển sự mở đầu và sự kết thúc.
⦁ Quá trình chế biến RNA hoặc điều hòa qua quá trình cắt-nối trên RNA (RNA splicing).
⦁ Điều hòa dịch mã quá trình tổng hợp chuỗi polypeptid.
⦁ Sự bền vững của mRNA.
Có sự khác nhau đáng kể trong sự điều hòa biểu hiện của các gene ở eukaryote và prokaryote. Prokaryote là những cơ thể đơn bào sống tự do, sinh trưởng và phân chia trong điều kiện thích hợp và được cung cấp đầy đủ chất dinh dưỡng. Do đó hoạt động của các gene được điều hòa do nhu cầu của tế bào khi cần thiết.
Khác với prokaryote, eukaryote là những cơ thể đa bào. Trong cơ thể đang phát triển, một tế bào không chỉ sinh trưởng và phân chia mà tế bào thế hệ sau trải qua những thay đổi quan trọng về hình thái và hóa sinh và duy trì trạng thái biến đổi của nó. Hơn nữa trong quá trình phát triển phôi, tế bào eukaryote ít chịu ảnh hưởng của môi trường hơn so với vi khuẩn. Cuối cùng, ở cơ thể trưởng thành, sự sinh trưởng và phân chia tế bào của hầu hết các loại tế bào bị ngừng, mỗi tế bào chỉ phải duy trì các tính chất riêng biệt của nó.

\
Hình 1.1  Mô hình điều hòa âm tính (negative regulation) và điều hòa dương tính (positive regulation).

A.Trong điều hòa âm tính, protein ức chế bám vào phân tử DNA, ngăn cản phiên mã.
B.Trong điều hòa dương tính, sự bám vào của protein hoạt hóa phiên mã, kích thích phiên mã.

Điều hòa hoạt động gene ở prokaryote
Ở vi khuẩn và phage, hoạt tính đóng mở gene thường được điều khiển qua phiên mã tổng hợp các mRNA xảy ra khi sản phẩm của gene được cần đến.
Cơ chế phân tử cho mỗi mô hình điều hòa hoàn toàn khác nhau, nhưng thường theo một trong hai kiểu chính: điều hòa âm tính và điều hòa dương tính (Hình 1.1). 
Trong hệ thống điều hòa âm tính (Hình 1.1A) một protein ức chế có mặt trong tế bào, ngăn cản sự phiên mã. Trong hệ thống cảm ứng được điều hòa âm tính, protein ức chế hoạt động làm ngăn cản phiên mã. Nhân tố cảm ứng kìm hãm chất ức chế, cho phép bắt đầu phiên mã. Trong hệ thống ức chế, protein aporepressor gắn với co-repressor tạo ra chất ức chế có hoạt tính, làm ngăn cản phiên mã. Ngược lại trong hệ thống điều hòa dương tính (Hình 1.1B), sự tổng hợp mRNA xảy ra nếu protein điều hòa gắn vào một vùng của gene làm hoạt hóa phiên mã. Những protein này được xem là những nhân tố hoạt hóa phiên mã. Điều hòa âm tính và dương tính không loại trừ lẫn nhau. Một vài hệ thống là cả điều hòa âm tính và dương tính, sử dụng cả 2 hệ thống điều hòa để phản ứng với các điều kiện khác nhau trong tế bào. Điều hòa âm tính là phổ biến cho prokaryote, trong khi điều hòa dương tính lại phổ biến cho eukaryote.
Điều hòa biểu hiện gene ở eukaryote
Điều hòa hoạt động gene ở eukaryote phức tạp hơn nhiều so với prokaryote. Liên quan đến điều hòa, giữa prokaryote và eukaryote có một số điểm khác biệt:
⦁ Ở eukaryote thường chỉ có một chuỗi polypeptide đơn được dịch mã từ một phân tử mRNA hoàn chỉnh. mRNA đa cistron (polycistronic) chỉ có ở prokaryote, không có ở eukaryote.
⦁ DNA của eukaryote gắn với protein histone tạo sợi chromatin, và gắn với protein phi histone. Chỉ có một đoạn nhỏ DNA để trần. Ở prokaryote, một vài protein có mặt trên nhiễm sắc thể bị gấp nếp, còn lại hầu hết DNA trần.
⦁ Một đoạn DNA quan trọng của eukaryote chứa trình tự nucleotide lặp lại trung bình hoặc lặp lại cao. Một vài trình tự lặp lại được xếp nối tiếp thành các bản sao tiếp nối nhau, một vài trình tự khác lại không xếp nối tiếp. Vi khuẩn chứa đoạn DNA lặp lại nhỏ khác các gene của rRNA và tRNA nhân đoạn và một vài yếu tố di động.
Một đoạn lớn DNA của eukaryote không được dịch mã. Hầu hết trình tự nucleotide không được mã hóa thành protein. Các eukaryote đơn bào, chẳng hạn nấm men là trường hợp ngoại lệ đối với tính chất này.
Một vài gene eukaryote được biể u hiệ n và điều hòa nhờ cơ chế cấu trúc lại những đoạn DNA nhất định theo một phương thức được điều khiển và để tăng số lượng các gene đặc biệt này khi cần thiết.
Các gene eukaryote là gián đoạn được phân thành các exon và intron. Các intron được cắt bỏ trong quá trình chế biến bản phiên mã RNA trước khi bắt đầu dịch mã.
Ở eukaryote, mRNA được tổng hợp trong nhân và được chuyển qua màng nhân, vào tế bào chất mới được sử dụng. Tế bào vi khuẩn không có nhân được tách biệt với tế bào chất.
Những trình tự tăng cường phiên mã (Enhancer)
Các thụ thể của hormone và những protein hoạt hóa phiên mã khác gắn với trình tự DNA đặc biệt được biết là enhancer. Trình tự enhancer khá ngắn (thường chỉ 20 cặp base) được tìm thấy ở các vị trí khác nhau quanh gene được điều hòa. Hầu hết các enhancer nằm ở phía dưới điểm bắt đầu phiên mã (đôi khi cách xa nhiều kb). Những enhancer khác là các intron nằm trong vùng mã hóa và một vài enhancer thậm chí nằm ở đầu 3' của gene.
Enhancer là thành phần nhạy cảm của tổ chức gene ở eukaryote vì chúng cho phép gene phiên mã chỉ khi nào có nhân tố hoạt hóa phiên mã đúng. Một vài enhancer phản ứng với các phân tử bên ngoài tế bào, chẳng hạn hormone steroid tạo phức hợp receptor-hormone. Những enhancer khác phản ứng với các phân tử được tạo thành ở bên trong tế bào (chẳng hạn trong suốt quá trình phát triển). Những enhancer này cho phép các gene dưới sự điều khiển của nó tham gia vào biệt hóa tế bào (differentiation) hoặc được biểu hiện theo cách đặc biệt ở trong mô. Nhiều gene ở dưới sự kiểm soát của các enhancer khác nhau, vì vậy chúng có thể phản ứng với nhiều tín hiệu phân tử khác nhau cả bên trong và bên ngoài.

Hình 1.2. Sơ đồ tổ chức các gene điển hình ở Eukaryote bậc cao.

Trình tự bất hoạt gene (gene silencing)
Trình tự bất hoạt gene có thể nằm trước hoặc sau gene được điều hòa khoảng vài trăm cặp base.  Chúng làm ngừng quá trình phiên mã bằng cách biến đổi histone và DNA.
Promoter chọn lọc (alternative promoter)
Một vài gene eukaryote có hai hoặc nhiều promoter hoạt động trong những tế bào khác nhau. Những promoter khác nhau này dẫn đến những bản phiên mã khác nhau chứa cùng vùng mã hóa protein. Ví dụ ở Drosophila, gene mã hóa cho alcohol dehydrogenase, cấu tạo của nó trong genome có ba vùng mã hóa protein bị gián đoạn bởi hai intron. Sự phiên mã ở ấu trùng sử dụng một promoter khác với sự phiên mã ở ruồi trưởng thành. Bản phiên mã ở ruồi giấm trưởng thành có trình tự dẫn đầu 5' dài hơn. Nhưng hầu hết trình tự này bị loại bỏ trong splicing. Promoter biến đổi làm sự điều hòa phiên mã có thể không phụ thuộc vào ấu trùng hay ruồi giấm trưởng thành.
Splicing chọn lọc
Cùng promoter được sử dụng để phiên mã một gene, ở các loại tế bào khác nhau có thể tạo sản phẩm có số lượng khác nhau hoặc tạo ra những protein khác nhau. Điều này là do cùng một bản phiên mã có thể có quá trình chế biến ở các loại tế bào là khác nhau.
Sự tổng hợp α-amylase ở chuột, những phân tử mRNA khác nhau được tạo ra từ cùng một gene vì những phần intron khác nhau bị loại bỏ trong quá trình chế biến RNA. Tuyến nước bọt của chuột tạo nhiều enzyme hơn gan mặc dù cùng một trình tự mã hóa được phiên mã. Ở mỗi loại tế bào, cùng một bản phiên mã sơ cấp (primary transcript) được tổng hợp, nhưng có hai quá trình chế biến khác nhau (Hình 1.3). Trình tự mã hóa bắt đầu 50 bp bên trong exon 2 được tạo thành nhờ nối với exon 3 và những exon tiếp theo. Ở tuyến nước bọt bản phiên mã sơ cấp được chế biến để exon S nối với exon 2 (exon L bị loại đi như là intron 1 và 2). Ở gan exon L nối với exon 2, exon S bị loại đi cùng với intron 1. Exon S và exon L trở thành những trình tự 5' biến đổi của amylase mRNA và mRNA này được dịch mã ở những tỷ lệ khác nhau.

Hình 1.3. Sản phẩm các phân tử mRNA amylase khác nhau do quá trình splicing khác nhau xảy ra ở tế bào tuyến nước bọt và tế bào gan của chuột.

Sự biểu hiện của các gene chịu sự kiểm soát của các cơ chế điều hòa. Các cơ chế này giữ vai trò rất quan trọng cho các hoạt động sống, đáp lại những biến đổi của môi trường bên trong và bên ngoài cơ thể. Biểu hiện gene của các tế bào prokaryote và eukaryote cũng có sự khác nhau đáng kể. Việc điều hòa được thực hiện ở nhiều mức độ khác nhau và liên quan đến từng giai đoạn phát triển. Theo quan niệm về operon, các gene điều hòa (regulatory gene) giữ vai trò quan trọng trong việc đóng và mở các gene cấu trúc (structural gene) để có thể biểu hiện tổng hợp protein đúng lúc, đúng nơi theo nhu cầu cụ thể của tế bào.
Trong mọi tế bào, tất cả các gene đều không hoạt động đồng thời. Ví dụ: tế bào E. coli có khoảng 107 phân tử protein gồm 3.000 loại khác nhau. Nhiều loại protein có đến 500.000 phân tử, tuy nhiên một số loại khác chỉ khoảng 10 phân tử. Như vậy, không phải loại protein nào cũng được tổng hợp với số lượng lớn như nhau và tế bào phải có những cơ chất để tổng hợp protein một cách tiết kiệm và hợp lý nhất.
Một số gen hoạt động thường xuyên cung cấp sản phẩm liên tục, một số khác chỉ biểu hiện ở những giai đoạn nhất định trong chu trình sống và có thể chỉ hoạt động trong điều kiện môi trường không bình thường. Một số protein cần được tổng hợp với số lượng lớn, một số khác chỉ cần có một phân tử. Do vậy, hoạt tính của gen được điều hòa bởi nhiều cơ chế khác nhau để có hiệu quả tốt nhất trong việc sử dụng nguồn năng lượng của tế bào.
Tài liệu tham khảo
Tiếng Việt
Phạm Thành Hổ (2000). Di truyền học. NXB Giáo Dục.
Lê Đình Lương, Phan Cự Nhân (1998). Cơ sở Di truyền học. NXB Giáo Dục.
Hoàng Trọng Phán (1995). Di truyền học Phân tử. Trung tâm Đào tạo Từ xa, Đại học Huế.
Tiếng Anh
Anthony J. F. Griffiths, Susan R. Wessler, Richard C. Lewontin, William M. Gelbart, David T. Suzuki, Jeffrey H. Miller. 2004. An introduction to genetics analysis. W.H. Freeman Publishers.
Harlt D.L., Jones E.W. (1998). Genetics - Principle and analysis. Jone and Bartlett Publshers. Toronto, Canada.
Stansfield W.D. 1991. Schaum’s outline of theory and problems of genetics. McGraw-Hill, Inc., New York.
ThS. Huỳnh Đặng Hà Uyên (Khoa Kỹ thuật - Công nghệ, Trường Đại học Văn Hiến)